鎳基合金鍍層的研究現(xiàn)狀

歐陽小琴，周琳燕，余 斌，萬 瑩，張斌斌，胡水蓮，馮長杰

(1.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，江西 南昌 330024;2.南昌航空大學(xué) 材料學(xué)院，江西南昌 330063)

引 言

鎳由于具有較好的耐蝕性，室溫時在空氣中抗氧化性能好，不與濃硝酸反應(yīng)，能耐堿腐蝕等特性，廣泛用于航天、汽車、電子、計算機(jī)、石油、印刷、紡織及醫(yī)療器械等行業(yè)。隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，單一的鍍鎳技術(shù)已不能滿足產(chǎn)品高性能、多功能的要求。在電鍍鎳層中加入其他合金元素或微粒，形成合金鍍層或復(fù)合鍍層，是提高單一電鍍鎳層綜合性能的重要途徑，成為研究熱點(diǎn)，并受到廣泛的應(yīng)用［1-2］。合金電鍍指兩種或兩種以上金屬離子在陰極上共沉積形成均勻細(xì)致鍍層的一種電鍍工藝。金屬共沉積過程需要［3］至少一種金屬離子能單獨(dú)從水溶液中電解析出，且共沉積的金屬元素的電位相近。在電沉積過程，向鍍液中加入不溶性化合物粒子，形成復(fù)合鍍層，可使鍍層具有某些特殊性能或功能［2-4］。本文綜述了供電方式和攪拌方式對電鍍層性能的影響，并介紹了電鍍鎳基合金及其復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 電鍍鎳基合金及其復(fù)合鍍層

近幾年，電鍍鎳基合金的各種性能，如電磁記憶，耐蝕性、高硬度及耐磨性等日益受到人們的重視，對鍍層性能也提出了更高的要求。單純的電鍍鎳層性能單一，由兩種或兩種以上的金屬組成的鎳合金鍍層因同時具有多種性能，可滿足某些工況下對鍍層性能的特殊要求。復(fù)合鍍技術(shù)是指采用一種或多種金屬為基質(zhì)，具有某種特殊功能的微粒隨著基質(zhì)金屬沉積的同時，均勻分布在鍍層表面上，形成具有特殊功能的復(fù)合鍍層。隨著電鍍技術(shù)與納米技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合鍍層的研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。與單金屬鍍層相比較，復(fù)合鍍鍍層性能更為優(yōu)良，鍍層與基體結(jié)合力更強(qiáng)，在提高硬度以及耐磨性能上效果更為顯著。復(fù)合鍍層以其較高的硬度、優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油開發(fā)和地質(zhì)勘探行業(yè)［5］。

1.1 電鍍電磁性鎳合金及復(fù)合鍍層

Ni、Fe、Co屬于磁性金屬，因此電鍍Ni-Fe合金、Ni-Co合金及相關(guān)的復(fù)合鍍層具有良好的電磁性能，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、磁記錄材料或軍事等領(lǐng)域中。

Ni-Fe合金應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已有100多年的歷史，F(xiàn)e元素的加入可大量節(jié)省昂貴的Ni，早期研究主要應(yīng)用于防護(hù)裝飾性鍍層，后來多用于電子工業(yè)的鐵磁記憶新材料。電沉積Ni-Fe合金成本低，鍍層中Ni、Fe含量較易調(diào)節(jié)，幾乎能在任何導(dǎo)電基體上沉積［6-7］。NiFe2O4是以三價鐵離子氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物，具有尖晶結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電磁學(xué)性能，作為重要的軟磁鐵體材料受到廣泛重視［8］。近年來有些學(xué)者開始在鍍液中添加鐵氧體粒子制備磁性復(fù)合鍍層。李燕等［9］在電鍍Ni-Fe合金的溶液中添加NiFe2O4粒子制備出Ni-Fe-NiFe2O4復(fù)合鍍層，實(shí)驗(yàn)過程中加入陽離子表面活性劑CTAB能增大鍍層中微粒的復(fù)合量。電鍍Ni-Fe合金鍍層中的Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到30% ～40%，使合金鍍層具有高硬度和良好的耐磨性，并且對金剛石微粒具有很好的包覆性能。章文姣［10］和孫仲鳴等［11］研究了電鍍鎳-鐵胎體金剛石鉆頭工藝，實(shí)驗(yàn)表明，電鍍鎳-鐵合金可以完全作為電鍍金剛石鉆頭的胎體材料，電鍍鎳-鐵金剛石鉆頭可以用于鉆探生產(chǎn)中;通過改變鍍液中主鹽的比例控制合金中鎳鐵的含量，獲得不同性能的鎳-鐵合金胎體，適應(yīng)不同巖層的鉆探要求。Wang等［12］在碳納米管(CNTS)內(nèi)采用恒流電鍍制備Ni-Fe合金鍍層，作為肼-空氣燃料電池中肼的氧化電催化劑，相對其他組分的催化劑具有明顯的優(yōu)越性。Ni-Co合金鍍層中鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以下時，鍍層具有良好的耐蝕性、較高的硬度和耐磨性;當(dāng)鍍層中鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%左右時，鍍層具有良好的磁性能，可作為裝飾防護(hù)性合金和磁性合金鍍層［7］。將一定量的Co引入到鍍鎳中，能夠改善鎳層的機(jī)械性能，提高電鑄鎳拷貝的壽命［13］，氨基磺酸電解鹽的加入能夠降低鍍層的內(nèi)應(yīng)力［14］。在制備高鈷低鎳合金時，電流密度對鍍層成分的影響比較大，鈷含量隨著陰極電流密度的增大而增加，并且柔軟劑苯亞磺酸鈉和羥甲基磺酸鈉的加入能夠使陰極極化作用明顯增大，鍍層韌性優(yōu)良［15］。鈷含量較少時，鎳-鈷合金具有較高的硬度和耐磨性，所以鎳-鈷合金也被應(yīng)用于砂輪機(jī)電解修整［16］。到目前為止，電鍍鎳基合金鍍層在納米科學(xué)領(lǐng)域的研究也比較多，人們不再僅僅局限于納米微粒，而是擴(kuò)充到原子團(tuán)簇、量子點(diǎn)或納米線。在碳納米管中填充金屬或者合金的納米線綜合了納米材料和金屬材料的優(yōu)良特性，由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，使得其在力、熱、光、電及磁等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Saedi等［17］以鋁陽極氧化膜(AAO)作為模板，采用電沉積方法制備了Ni-Fe-Co三元合金納米線列陣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Ni2+、Fe2+、Co2+三種離子具有異常的電沉積特征，原因在于Ni2+、Fe2+、Co2+擴(kuò)散速度的差異，導(dǎo)致沉積于陽極氧化膜孔內(nèi)成分的差異和單個納米線之間的成分差異。Cojocaru等［18］采用氨基磺酸鹽復(fù)合鍍 Ni-Co-BaFe2O4，實(shí)驗(yàn)證明磁性納米顆粒BaFe2O4應(yīng)用于金屬納米線的可行性，改善了材料的磁性。

1.2 耐蝕性鎳基合金及其復(fù)合鍍層

耐蝕性較好的鎳合金有Ni-P、Ni-Cr、Ni-Zn等合金及其復(fù)合鍍層。電鍍Ni-P合金的優(yōu)點(diǎn)是沉積速度快，鍍液的穩(wěn)定性好，成本低，膜層的耐磨性及耐蝕性優(yōu)良［19］。Ni-P合金鍍層中 P質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12.9%時其結(jié)構(gòu)具有非晶態(tài)特征，具有較高的電極電位和優(yōu)良的耐蝕性，其原因在于非晶態(tài)合金自身的均勻性及合金表面磷元素富集的結(jié)構(gòu)，而不是合金的自鈍化［7，20］。姜良峰等［21］研究表明，Ni-P 非晶合金受到砂粒的沖擊后，表面組織發(fā)生了明顯的非晶向微晶的組織轉(zhuǎn)變，其沖蝕性能和腐蝕性能配合較好，因此相對純鎳擁有更好的沖蝕-腐蝕磨損性能。在電鍍鎳-磷合金中加入少量的其他元素，可以改善鍍層性能，例如Fe、W元素的加入，既能保證優(yōu)良的耐蝕性能又能顯著提高鍍層的硬度、耐磨性及熱穩(wěn)定性［22-23］。加入一些耐磨性的粒子能夠提高膜層的硬度，例如，邵光杰［20］在Ni-P合金鍍液中添加SiC粒子制備出(Ni-P)-SiC鍍層，復(fù)合鍍層的硬度顯著提高，復(fù)合鍍層中SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，鍍層的硬度和耐蝕性越好。當(dāng)鍍液中TiO2的質(zhì)量濃度為8g/L時，(Ni-P)-TiO2納米復(fù)合鍍層腐蝕電位最高，耐磨性能最好;在鍍態(tài)或熱處理后，(Ni-P)-TiO2復(fù)合鍍層的硬度明顯高于 Ni-P合金鍍層，且經(jīng)過400℃熱處理后，復(fù)合鍍層的硬度高達(dá)1600HV［24］。

對于Ni-Cr合金電沉積的研究已經(jīng)非常悠久，但它仍然處于不斷探索研究之中。近十年來，諸多學(xué)者對Ni-Cr合金中三價鉻電鍍作了大量的研究工作，目前常用的電沉積體系有DMF體系、甲酸體系、乙酸體系、氨基乙酸體系和它們的混合體系等［6］。何新快等［25］研究了三價鉻脈沖電沉積納米晶Ni-Cr合金工藝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍍層的厚度隨合金中鉻含量的增加而減少;當(dāng)Ni-Cr合金鍍層中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時，鍍層的δ大于10μm，無裂紋，晶粒為納米球狀晶粒。楊余芳［6］研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高可使Ni-Fe-Cr合金鍍層的共沉積反應(yīng)速度加快，但使鍍層中Cr含量降低;光亮劑增大了Ni-Fe-Cr共沉積的陰極極化，導(dǎo)致鍍層致密、晶粒細(xì)化。

電鍍Ni-Zn合金是近年來在電鍍鋅的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高耐蝕合金鍍層，其耐蝕性為純鋅鍍層的4～8倍，當(dāng)鍍層中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8% ～15%時具有較高的耐蝕性，其中13%鎳的合金綜合性能最好［26］。劉力虎［27］制備了鐵磁/非鐵磁 Ni-Zn 并進(jìn)行Ni-Zn納米線的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低電壓下制備的合金納米線，主要以單晶鎳的面心立方相結(jié)構(gòu)為主，此時的納米線結(jié)構(gòu)均勻，內(nèi)部由于雜質(zhì)引起的缺陷相對較少;隨著沉積電壓的升高，納米線中非鐵磁性金屬鋅含量逐漸增大，由于鋅的摻入結(jié)構(gòu)缺陷無規(guī)則分布于線體中，將連續(xù)的磁性納米線分割成不連續(xù)納米線段，結(jié)果引起納米線體系靜磁耦合作用加強(qiáng)。

1.3 高硬度耐磨性鎳基復(fù)合鍍層

Ni-B、Ni-Fe、Ni-P及Ni-W等鎳基合金鍍層具有良好的耐磨性、耐蝕性和裝飾性等特點(diǎn)，在實(shí)際生成中應(yīng)用廣泛。隨著工件使用環(huán)境越來越復(fù)雜和苛刻，對鎳基鍍層的使用性能提出了更高的要求。如向鍍液中加入一些硬質(zhì)顆粒，如 SiC、WC、BN、Si3N4、Al2O3或金剛石等，可使復(fù)合鍍層保持良好耐蝕性的同時具有更高的硬度和優(yōu)良的耐磨性，可滿足一些特殊環(huán)境的使用要求［28］。

吳化等［29］在銅板上進(jìn)行了Ni-Al2O3納米復(fù)合鍍層研究，發(fā)現(xiàn)納米Al2O3顆粒的加入，有效地阻礙了鎳晶粒的長大，且在顆粒附近復(fù)合鍍層的硬度較純鎳的硬度高，鍍層晶粒細(xì)小、致密。適當(dāng)保證鍍液中的粒子懸浮量，可以使Al2O3微粒均勻彌散于Ni基中，通過彌散強(qiáng)化、應(yīng)變強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化的作用，使得復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性顯著提高［30］。復(fù)合鍍層的顯微硬度隨著Al2O3含量的增加而增大，耐蝕性則先增大后減?。?1］。夏法峰等［32］采用脈沖電沉積的方式，在不銹鋼基體上制備納米Ni-TiN復(fù)合鍍層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其最佳工藝為:TiN粒子的濃度 4g/L，Jκ為4A/dm2，攪拌速度 2000r/min。王?。?3］研究了工藝參數(shù)對Ni-SiC復(fù)合鍍層的形態(tài)與結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，電流密度、埋砂時間、鍍液成分是影響Ni-SiC鍍層形貌和結(jié)構(gòu)的主要因素，而鍍液溫度的影響不明顯。王世鈺［5］通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)得到了具有良好耐磨性的鎳-SiC復(fù)合鍍、鐵-鎳-SiC復(fù)合鍍的最佳工藝。近年來，由于碳納米管(CNT)具有良好的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能而被廣泛的開發(fā)利用。碳納米管作為一種新的加固材料，使得Ni-CNT復(fù)合鍍層在耐磨性和耐蝕性微機(jī)電系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用前景。KIM等人［34］研究發(fā)現(xiàn)，Ni-CNT復(fù)合鍍層的CNT含量與鍍液中CNT的含量以及電流密度有關(guān)，由于CNT具有多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合鍍層的耐蝕性隨著CNT的含量的增加而下降。

2 脈沖電流和超聲波對鎳基合金鍍層的影響

2.1 脈沖電流

電鍍的供電方式主要有直流、脈沖兩種，近幾年來研究比較多的是脈沖電鍍鎳基合金。脈沖電鍍技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代，到了70年代末脈沖電鍍的理論、應(yīng)用以及設(shè)備得到了快速的發(fā)展。與直流供電方式相比，脈沖電沉積具有更高的沉積速率、電流效率、極化度和生產(chǎn)效率，其對電鍍鎳層的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)和性能具有顯著的影響［35-39］。脈沖電鍍能夠利用電流(或電壓)脈沖的張弛來增加陰極活化極化和降低陰極的濃差極化，從而改善鎳鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，提高鍍層的硬度和耐磨性。隨著脈沖占空比的增大，鍍層的電沉積速率提高，但脈沖占空比過大，鍍層耐蝕性、光亮性變差［38］。廖夏［40］研究了直流和單脈沖電鍍Ni-W合金鍍層的性能，結(jié)果表明，脈沖法電沉積的Ni-W合金表面形貌較為平整致密，晶粒細(xì)小。李科軍等［41］采用脈沖參數(shù)為2∶1的占空比，頻率為 825Hz，Jκ為 3A/dm2時，制備了結(jié)合力良好的鎳基微膠囊感光復(fù)合鍍層，并且鍍層呈現(xiàn)柔和的緞面效果，感光微膠囊的復(fù)合量達(dá)到35%，紫外光的照射下，顏色變深。胡飛［42］研究了占空比對Ni-SiCp復(fù)合鍍層的影響，結(jié)果表明，隨著占空比的增大，鎳基晶粒尺寸和嵌入的SiC沉積量增加，當(dāng)占空比為50%復(fù)合鍍層達(dá)到最大的硬度值。頻率也是影響脈沖電鍍的一個重要因素，隨著頻率的增大，鍍層中復(fù)合量逐漸減?。?3］。

雙向脈沖在電鍍工藝運(yùn)用較少，與直流電鍍和單脈沖電鍍相比，雙向脈沖具有獨(dú)特的優(yōu)勢。雙向脈沖由正向脈沖電流和反向脈沖電流組成，反向電流溶解了陰極鍍層上的毛刺，改善了鍍層的厚度分布并使鍍層厚度分布均勻;反向脈沖電流陽極的溶解使陰極表面金屬離子濃度迅速回升，有利于正向周期時使用高電流脈沖密度，高電流密度下形核速度大于晶粒的生長速度，因此可以獲得更加致密、光亮、孔隙率低的鍍層;反向電流密度可以清除吸附于陰極表面的有機(jī)雜質(zhì)和氫氣泡，使表面一直處于活化狀態(tài)。Cheng W等［44］采用雙向脈沖電沉積法在鋼板表面制備了晶粒尺寸為13.05nm納米鎳層。吳化等［45］的研究表明，采用雙脈沖波形，能提高鍍層中SiC含量，改善鍍層表面質(zhì)量。使用雙脈沖電源制備Ni-Al2O3復(fù)合鍍層，發(fā)現(xiàn)雙脈沖電源的引入鍍層晶格點(diǎn)陣常數(shù)變大，晶格畸變增大，細(xì)化晶粒［46-47］。

2.2 超聲波

運(yùn)用于電鍍鎳基合金及其復(fù)合鍍層的攪拌方式主要有機(jī)械攪拌和超聲波攪拌，其中，研究和應(yīng)用較多的是超聲波攪拌。杰姆兵克20世紀(jì)30年代揭示了超聲波在液相中傳播所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)［48］。超聲波對電鍍過程的強(qiáng)化作用可以歸納為機(jī)械作用、空化作用和波速界面突變效應(yīng)，超聲波空化作用增加了表面位錯密度和形核中心，提高形核率，有利于電結(jié)晶細(xì)化［49］。電鍍復(fù)合過程中超聲作用下制備的復(fù)合鍍層與無超聲作用下電沉積制備的復(fù)合鍍層相比，超聲作用下制備的Ni-Y2O3納米復(fù)合鍍層晶粒細(xì)小，鍍層致密，并且表現(xiàn)出更高的硬度和優(yōu)良的耐磨損性能［50］。馬春陽等［51］分別采用機(jī)械攪拌和超聲波攪拌的方式制備了Ni-TiN復(fù)合鍍層，兩種鍍層中 TiN粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.7%和8.8%，采用超聲波攪拌-電沉積制備的Ni-TiN復(fù)合鍍層中TiN微粒復(fù)合量明顯大于機(jī)械攪拌，并且采用機(jī)械攪拌時，鍍層表面有大量粒徑平均為3μm的顆粒出現(xiàn)，而超聲波攪拌時顆粒平均粒徑降至1μm，耐磨性更好。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)和電鍍技術(shù)的發(fā)展，電鍍鎳基合金及其復(fù)合鍍層的應(yīng)用將越來越廣范，隨著資源、能源和環(huán)保等問題的日益突出和重視，新型電鍍鎳基合金及其復(fù)合鍍層技術(shù)，將會受到更為廣泛的研究和應(yīng)用。

1)脈沖電鍍鎳基合金鍍層及其復(fù)合鍍層，比直流電鍍具有明顯的優(yōu)勢，其將會逐步替代后者，受到更為廣泛的研究和應(yīng)用。在復(fù)合鍍層中，復(fù)合粒子分布的均勻性問題是決定復(fù)合鍍層性能優(yōu)劣的關(guān)鍵問題之一，綜合利用多種攪拌方法，提高復(fù)合粒子在復(fù)合鍍層中分布的均勻性，仍然是未來鎳基復(fù)合鍍層研究的重要內(nèi)容之一。

2)電鍍鎳基合金或者其復(fù)合鍍層能夠顯著改善單一鎳層的性能，Ni-Cr、Ni-Zn等鎳基合金鍍層的耐蝕性、耐磨性超過或與硬鉻鍍層相當(dāng)，對環(huán)境污染小，是替代硬鉻鍍層未來研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

3)電磁性鎳基合金鍍層及其復(fù)合鍍層不僅具有良好的磁性，還具有良好的耐蝕和耐磨性能。隨著納米材料科學(xué)的興起，電沉積納米磁性材料被認(rèn)為是一種最具有應(yīng)用前景和應(yīng)用價值的新型材料，是未來研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

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